[论文解读] X-rays and gamma-rays from accretion flows onto black holes in Seyferts and X-ray binaries

A. A. Zdziarski, W. N. Johnson+3 more|Discovery Research Portal (University of Dundee)|Dec 10, 1996

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 3

一句话总结

本文研究了赛弗特星系和银河系黑洞候选体周围黑洞吸积流的X射线与伽马射线辐射，发现宽能谱最符合在温度约100 keV、光学深度约1的热 plasma 中软光子经康普顿上移辐射的解释。光谱在约200 keV处表现出高能截止，与电子-正电子对产生调节等离子体温度一致，反射成分表明冷物质覆盖约0.4–1倍2π立体角，NGC 4151中非热辐射较弱（<15%）。

ABSTRACT

We review observations and theoretical models of X-ray/gamma-ray spectra of radio-quiet Seyfert galaxies and of Galactic black-hole candidates (in the hard spectral state). The observed spectra share all their basic components: an underlying power law, a Compton-reflection component with an Fe K-alpha line, low-energy absorption by intervening cold matter, and a high-energy cutoff above ~ 200 keV. The X-ray energy spectral index, alpha, is typically in the range ~ 0.8-1 in Seyfert spectra from Ginga, EXOSAT and OSSE. The hard-state spectra of black-hole candidates Cyg X-1 and GX 339-4 from simultaneous Ginga/OSSE observations have alpha ~ 0.6-0.8. The Compton-reflection component corresponds to cold matter (e.g., inner or outer parts of an accretion disk) covering a solid angle of ~ (0.4-1) times 2 pi as seen from the X-ray source. The spectra are cut off in soft gamma-rays above ~ 200 keV. The broad-band spectra of both Seyferts and black-hole sources are well fitted by Compton upscattering of soft photons in thermal plasmas. Our fits yield the thermal plasma temperature of ~ 100 keV and the Thomson optical depth of tau 1. A fraction of the luminosity emitted nonthermally appears to be small and it can be constrained to &lt; 15% in the Seyfert galaxy NGC 4151. The spectra are cut off before 511 keV, which is strongly suggestive of a thermostatic role of e+e- pair production in constraining the temperature and optical depth of the sources. The source geometry is compatible with a patchy corona above a cold disk in Seyferts, but not in Cyg X-1. In the latter, the relative weakness of reflection is compatible with reflection of emission of a hot inner disk from outer disk regions.

研究动机与目标

• 理解射电宁静赛弗特星系和硬态黑洞候选体中X射线与伽马射线辐射的起源。
• 通过光谱拟合确定X射线辐射等离子体的物理条件，如温度和光学深度。
• 评估康普顿上移和反射在塑造观测光谱中的作用。
• 约束非热辐射并研究高能截止机制。
• 比较赛弗特星系与X射线双星的源几何结构，特别是冕和盘面反射的特征。

提出的方法

• 利用Ginga、EXOSAT和OSSE观测的宽能段X射线与伽马射线光谱，采用热等离子体的康普顿化模型进行拟合。
• 应用具有麦克斯韦电子分布的热等离子体模型，模拟软种子光子的康普顿上移过程。
• 引入来自冷物质的康普顿反射成分，包含铁K-α线，其立体角覆盖约为0.4–1倍2π立体角。
• 将约200 keV处的高能截止作为电子-正电子对产生对等离子体温度和光学深度反馈作用的诊断工具。
• 通过比较赛弗特星系（如NGC 4151）与黑洞双星（Cyg X-1、GX 339-4）的光谱拟合结果，推断源的几何结构。
• 通过比较模型通量与200–511 keV波段的观测通量，对非热辐射光度施加约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 什么物理机制导致了赛弗特星系和黑洞候选体中观测到的X射线与伽马射线光谱？
• RQ2 光谱组分（幂律、反射与高能截止）如何约束等离子体温度与光学深度？
• RQ3 电子-正电子对产生在调节这些源中最大温度与光谱截止方面起什么作用？
• RQ4 为什么Cyg X-1中的反射成分弱于赛弗特星系？这对其几何结构有何含义？
• RQ5 在这些源中，非热辐射的贡献有多大，特别是在NGC 4151中？

主要发现

• 赛弗特星系和硬态黑洞候选体的X射线光谱可用温度约100 keV、光学深度约1的热等离子体中康普顿上移过程良好拟合。
• 赛弗特星系中的观测能量谱指数α约为0.8–1.0，而黑洞双星中约为0.6–0.8，与热康普顿化一致。
• 高能截止出现在约200 keV以上，与电子-正电子对产生的开始阶段一致，该过程起到热调节器的作用。
• 反射成分来自覆盖约0.4–1倍2π立体角的冷物质，表明冕呈不连续分布或具有盘面几何结构。
• NGC 4151中非热辐射被限制在总光度的15%以下，表明其主导来源为热辐射。
• 赛弗特星系的几何结构与位于冷盘上方的不连续冕相兼容，但在Cyg X-1中，较弱的反射表明来自热内盘的辐射被外盘区域反射。